鍋爐控制系統(tǒng)中膠粘劑的應(yīng)用分析

張偉崗

摘要：文章主要對鍋爐控制系統(tǒng)中膠粘劑的應(yīng)用進行了研究和分析，針對大型內(nèi)襯陶瓷鍋爐控制系統(tǒng)完成了專用膠粘劑的研制，在闡述了專用膠粘劑結(jié)構(gòu)及性能的基礎(chǔ)上，相比有機膠和硅溶膠，無機磷酸鹽膠粘劑在耐高溫、低固化收縮率等方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，介紹了制備磷酸鹽膠粘劑的原料及工藝，并通過試驗制備出了一種高粘性的膠粘劑，試驗的主要成分為磷酸二氫鋁，結(jié)合使用適量的PH調(diào)節(jié)劑、緩蝕劑、增稠劑等完成了膠粘劑的制備，該膠粘劑表面干燥耗時不超過24h，耐溫800℃，并降低了對金屬表面的腐蝕，表現(xiàn)出了本文膠粘劑良好的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：鍋爐控制系統(tǒng);膠粘劑;磷酸二氫鋁

中圖分類號：TQ437文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0001-04

目前工業(yè)生產(chǎn)及日常生活服務(wù)對高質(zhì)量高效率鍋爐的要求不斷提高，以火力發(fā)電廠為例，位于其鍋爐內(nèi)部的金屬管道對電廠的安全運營產(chǎn)生直接影響，所使用鍋爐工作環(huán)境的溫度可達約1000℃，承受的工況條件（包括高強度的沖蝕磨損和結(jié)焦）較為復(fù)雜，根據(jù)國內(nèi)外實踐經(jīng)驗可知將復(fù)合涂料涂刷到管道表面可使高溫環(huán)境導(dǎo)致的鍋爐內(nèi)部磨損程度得以顯著降低進而實現(xiàn)防止結(jié)焦的目的。目前國對于此種適合鍋爐控制系統(tǒng)使用的復(fù)合膠粘劑的研制水平還有待提高，現(xiàn)有的膠粘劑體系存在不同的問題，例如，表面干燥速度快的硅酸鹽膠粘劑存在較大的固化收縮率上的不足，涂層耐高溫性能較差易開裂;而傳統(tǒng)的磷酸鹽膠粘劑較為明顯的劣勢表現(xiàn)在發(fā)生于金屬基體上的反應(yīng)較強烈且表面干燥耗時較長，限制了其在實際施工中的廣泛應(yīng)用;貼襯陶瓷襯里的膠粘劑的成本較高，自身性能無法使控制系統(tǒng)工作條件下的需求得以有效滿足。

1需求分析

鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)壁需長期在較為惡劣的環(huán)境下工作，持續(xù)面臨著高溫氣體的侵蝕及煤粉顆粒的沖，已經(jīng)成為決定鍋爐使用壽命的關(guān)鍵因素。采用優(yōu)質(zhì)合金材料制作控制系統(tǒng)有利于控制系統(tǒng)使用壽命的有效延長，此類材料需具備基本的耐磨及耐高溫腐蝕特點。近年來隨著研究領(lǐng)域的拓展一些當做控制系統(tǒng)襯里和涂層的材料不斷被研發(fā)出來，此種情況下對控制系統(tǒng)的材質(zhì)要求不高（一般鋼材即可），降低了鍋爐生成及使用成本，例如，采用絕熱的鉆基合金制造控制系統(tǒng)并將穩(wěn)定性較高的氧化錯纖維置于控制系統(tǒng)內(nèi)壁（日本專利），使控制系統(tǒng)內(nèi)壁由煤粉顆粒運動導(dǎo)致的沖刷問題得以有效減緩和阻擋;將耐介質(zhì)腐蝕的三氧化二鋁瓷片（以剛玉作為主晶相）置于控制系統(tǒng)內(nèi)壁，使控制系統(tǒng)本體的抗煤粉顆粒及高溫氣流沖擊性能得以有效提升（巴布科克·威爾科克斯公司）;提供優(yōu)質(zhì)鍋護裝置的北京巴布科克·威爾科克斯公司生產(chǎn)的鍋爐主要供大型電站及工業(yè)使用（包括發(fā)電廠、石油、化工、造紙等），專業(yè)水平較高，其首臺超高壓自然循環(huán)電站鍋爐（20萬kW）采用口簡式PAS型控制系統(tǒng)（共24只）結(jié)構(gòu)，使用壽命為15-20年，擴容進入控制系統(tǒng)的風(fēng)混合煤粉（速度為30m/s）混合增速熱風(fēng)直吹人鍋爐爐膛，在高溫環(huán)境下控制系統(tǒng)管道內(nèi)壁承受高硬度煤粉的沖刷（哈式可磨系數(shù)70～80），復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了維修和更換的難度。因此需選用滿足條件的膠粘劑，粘接工藝需簡單易行，具備可承受強力撞擊的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)強度，耐高溫經(jīng)冷熱沖擊后不脫開，本文嘗試將三氧化二鋁瓷片粘接到控制系統(tǒng)內(nèi)壁以提高鍋爐耐熱耐磨性能。

2原料與制備工藝

為使高輻射涂層的綜合性能得以有效提高，要求膠粘劑在抗腐蝕、黏度、耐高溫方面具有較大的優(yōu)勢，使用制備的磷酸二氫鋁溶液（3.15：1的磷酸和氫氧化鋁）顯著提高涂層黏度，且溶液的粘度會隨反應(yīng)溫度的升高而提升，黏度在128℃左右達到臨界值（0.8Pa·s），通過降低涂層酸度實現(xiàn)對體系酸度的有效控制，從而使制備出的低酸度涂層更適用于金屬基體，在對膠粘劑試驗數(shù)據(jù)做出進一步優(yōu)化的基礎(chǔ)上制備出涂層，驗證了本文膠粘劑的優(yōu)異性能;針對骨料之間及骨料通基體間通過調(diào)節(jié)各種無機填料使其結(jié)合力得以有效提升，調(diào)節(jié)膨脹系數(shù)可使涂層耐高溫性得到進一步提高。

2.1原材料

2.1.1磷酸鹽溶液的試驗原料

膠粘劑的粘接性能同金屬離子半徑成反比，對于膠粘劑的不同性能，磷酸鹽的金屬離子對其影響情況表現(xiàn)為：附著力由強盜弱的順序為Al、Mg、Ca、Cu、Fe、Zn，強度由大到小的順序為Al、Mg、Ca、Fc、Cu、Ba，由此可知Al³⁺表現(xiàn)出的粘接性最好，Al結(jié)構(gòu)（配位數(shù)較低）有助于無序固溶體的形成以及對應(yīng)力和應(yīng)變的吸收，為此本文選用了Al（OH）₃，結(jié)合使用磷酸溶液完成了磷酸鹽膠粘劑的制備，作為一種中強酸磷酸的電離過程是分步進行的，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)表達式如下。

Al（OH）₃+3H₃PO₄=Al（H₃PO₄）+3H₂O

2Al（OH）₃+3H₃PO₄=AI₂（HPO₄）₃+6H₂0

Al（OH）₃+H₃PO₄=AlPO₄+3H₂O

根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知，膠粘劑的粘接性能隨著磷酸二氫鋁含量的增多而增強，磷酸二氫鋁的產(chǎn)物在質(zhì)量比為3.1：1-3.41：1間的H₂PO₄和Al（OH），反應(yīng)的情況下最多，低于或高于此值則產(chǎn)物中會殘留多余的Al（OH）₃或H₃PO₄。

2.1.2PH調(diào)節(jié)劑的選用

本文選用了堿性溶液對試驗過程進行調(diào)節(jié)，使磷酸鹽溶液在配制好時達到2-3范圍間的PH值，用量過多的堿性溶液會使磷酸鹽溶液的粘性降低甚至失去，用量過少的堿性溶液則無法滿足降低磷酸鹽溶液酸性的要求。

2.1.3緩蝕劑的選用

磷酸鹽膠粘劑不能只通過使用堿性溶液實現(xiàn)酸性的完全降低，涂層面臨著較大的化學(xué)反應(yīng)活性而導(dǎo)致易開裂，需通過緩蝕劑的添加使此種問題得以有效彌補，為此本文選用了雙組分體系（即磷酸鹽和適用于磷酸鹽膠粘劑的鉻酸鹽）對試驗過程進行調(diào)節(jié)，增大涂層的交聯(lián)密度，磷酸鹽的防腐機理在于通過涂層離解成磷酸和縮合磷酸兩種離子使金屬產(chǎn)生鈍化，并在金屬和涂層間形成絡(luò)合物，金屬的腐蝕通過使用緩蝕劑形成鈍化層而得以有效避免，使涂層常溫化學(xué)反應(yīng)活性得以顯著降低從而有效避免了涂層開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，達到后期的防腐蝕效果。

2.1.4固化劑的選用

考慮到磷酸鹽膠粘劑存在固化速度較慢且涂層表面干燥速度較慢（通常超過48h）的問題，為進一步提升工程施工效果，本文的催化劑選用了MgO，同時采用了硅溶膠膠粘劑（硅溶膠具備較大的固化收縮率，需根據(jù)實際需要適量使用），實現(xiàn)了在降低固化溫度的同時使涂層的固化速度得以顯著提高。

2.1.5酸性抑制劑的選用

具體選用了具有較強抑制金屬基體腐蝕能力的NH-66耐火材料磷酸抑制劑，使涂層的黏度得以有效增強。

2.2膠粘涂層的制備工藝

本文在制備膠粘劑時采用的基料主要為磷酸二氫鋁（由Al（OH）₃和H₃PO₄發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成），并輔以添加相關(guān)填料，具體按照實際需要按一定比例將H₃PO₄和Al（OH）₃（濃度為85%）進行混合后加熱到120～140℃，再進行1h的保溫處理，最終獲取一種無色透明的溶液。在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)溶液的PH值使其達到2-3間（使用堿性溶液），基料中MgO含量的占比、酸性抑制劑的占比、緩蝕劑占比分別在5%-10%、0.5%-5%、20%-55%區(qū)間內(nèi)，CuO占比在5%-15%間，以對涂層腐蝕性產(chǎn)生影響的主要因素為依據(jù)進行正交試驗（共16組），具體制備工藝如圖1所示。

3試驗結(jié)果分析

3.1磷酸二氫鋁溶液黏度的提高

制備磷酸二氫鋁溶液時需以實際工況需求為依據(jù)使溶液達到合適的黏度，過大的黏度會阻礙施工的順利進行，過小的黏度會不同程度的減小骨料和基體間、骨料間的結(jié)合力，Al/P配比同膠粘劑黏度間的關(guān)系如圖2所示，黏度隨著磷酸二氫鋁濃度的增大呈現(xiàn)上升的趨勢，在其與氫氧化鋁質(zhì)量比達到3.15：1時達到最高值;黏度隨溫度的變化情況如圖3所示，隨著溫度的上升黏度呈現(xiàn)快速升高的趨勢，黏度在達到128℃后經(jīng)過1h保溫處理后為0.853Pa·S，測試結(jié)果表明此時涂層達到施工的臨界值。在完成上述黏度實驗后完成膠粘劑溶液的配制（以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)），再進行固化處理獲取樣品，其XRD圖譜如圖4所示，采用RIR方法完成此時成分中含有磷酸二氫鋁的計算，得到其物相質(zhì)量分數(shù)為75%，現(xiàn)有研究成果已表明溶液黏度同磷酸二氫鋁的比例成正比，進一步驗證了溶液具備較高的黏度。

3.2膠粘劑體系酸度的降低

本文通過試驗實現(xiàn)對膠粘劑酸度的有效控制，膠粘劑酸度的影響因素及水平如表l所示（根據(jù)正交試驗），L₁₆（4⁵）表頭設(shè)計如表2所示。膠粘劑的剪切強度試驗測試結(jié)果如圖5所示（該試驗以GB7124-86為依據(jù)），通過正交試驗的k值獲取堿性溶液含量、酸性抑制劑含量、MCO含量、CuO含量、緩蝕劑含量、的計算結(jié)果分別為5%、1.7%、6.5%、5%、20%，涂層的剪切強度在此種含量配比下最強，接下來剪切強度通過使用萬能試驗機的拉伸試驗得出對應(yīng)值為7.4MPa，以為沒有有效的對涂層膨脹系數(shù)進行調(diào)整，導(dǎo)致涂層間的結(jié)合力在受熱膨脹后降低，使涂層的剪切性能受到了一定的限制。將高輻射涂層在采用上述最佳配方的同時通過加入骨料完成制備過程，經(jīng)降低腐蝕處理后的試驗結(jié)果如圖6所示，光滑平整且具備高致密度的的涂層狀態(tài)表明圖層同金屬基體的腐蝕反應(yīng)得以有效避免，顯著增強了骨料間以及骨料和基體間的結(jié)合力。實際在鍋爐控制系統(tǒng)中應(yīng)用膠粘劑時，需對被粘接表面進行去銹除油處理（可采用噴砂或酸洗方法除去金屬表明的銹），用丙酮清洗陶瓷表面以去除油漬。在充分攪拌膠粘劑使其混合均勻的基礎(chǔ)上，將其涂置金屬和陶瓷表面（膠層厚度為1mm左右），并稍用力壓平達到貼合狀態(tài)，使用完畢后揩掉擠壓出的余膠并按要求固化。

4結(jié)語

日常生產(chǎn)生活對鍋爐使用性能的要求越來越高，隨著高輻射涂層在鍋爐管道內(nèi)應(yīng)用范圍的不斷擴大，對適用于該涂層的優(yōu)質(zhì)膠粘劑的需求日益凸顯，為提高鍋爐控制系統(tǒng)的使用性能和壽命，文中完成了一種新型膠粘劑的研制，在使用磷酸二氫鋁的同時通過PH調(diào)節(jié)、緩蝕、催干及增稠等處理后完成了一種耐高溫耐腐蝕的適用于鍋爐控制系統(tǒng)使用的高粘性膠粘劑的制備過程，此種膠粘劑對粘接的材質(zhì)種類限制較少，同時具備較佳的抗高溫、熱震及機械沖擊特點，能夠?qū)⒂行У恼辰犹峁┙o鍋爐控制系統(tǒng)（內(nèi)襯陶瓷），為新式控制系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)與使用提供支撐。